灌注桩支护条件下深基坑变形分析

杨玉才

摘要: 通过运用有关基坑变形的计算方法对上海某大厦钻孔灌注桩基坑工程进行基坑变形的计算,m 法计算得基坑最大位移值为 619mm, 基床系数法最大位移值为 712mm, 实际最大位移值为 57mm, 分析比较发现理论计算值与实际位移值偏差较大。本研究结合工程实际确定土的比例系数和桩的变形系数, 在充分考虑影响深基坑变形因素的情况下确定相关的影响因子, 对已有的计算方法进行分析和修正, 最后得出较为实用和有效的基坑变形计算方法,能在实际工程中对深基坑变形进行及时准确地预测和分析。

关键词: 深基坑; 深基坑变形; 位移; 支护体系

中图分类号：TV551文献标识码： A

1深基坑问题综述

1.1城市深大基坑工程活动的环境土工学问题

工程活动中的城市环境土工问题，对软土地区而言，主要是指：研究因工程施工使附近地表沉降和土层变形，进而谋求对工程附近建（构）筑物、道路、地下管线高架立交和已建地铁等环境土工安全的维护和保证。

近年来，由于工程实践经验的积累和施工机具的进步，因各类工程活动导致城市环境的土工损伤（公害）问题已有一定的缓解。但对于有许多复杂情况，工程周近环境的围护和整治问题仍然十分突出，对工程施工土体变形的预测与控制是一项当务之急，需要很好的解决。

深大基坑工程施工安全与环境土工损伤（公害）的预测与控制，是现代城市建设中的关键问题和难题之一。由于岩土介质的复杂性，传统的数字模拟方法遇到了不少的困难。

1.2 传统力学方法解决岩土工程问题遇到的困难

传统力学方法解决岩土工程问题会遇到以下困难：

（1）岩土体是一个多相、非均质、各向异性的孔隙体，影响岩土工程问题的因素是复杂多样的，需要处理的信息量很大，而所获得的数据又是有限的，不仅输入给模型的基本参数没有很好的定义，而且测量很少是有效的。由于参数给定不准，就无法获得足够的数据用于理论分析和数值模拟。

（2）岩土体的变形破坏特征极其复杂，而且多半是高度非线性的，尤其是人类对岩土体在复杂条件下的变形破坏机理的了解可以说是知之甚少，无法建立能反映真实情况的本构模型，因此，不得不在特定条件下进行假设，套用已有的理论和定理进行处理，致使分析结果常常与实际出入很大。

（3）岩土体是一种不确定系统，岩土工程中既有客观上的不确定性，也有主观上的不确定性。这种不确定性包括随机性、模糊性、信息的不完整性和信息处理的不确定性。由于客观上的这些不确定性，加上对岩体变形破坏机理认识不清，导致理论分析和模拟在主观上的非确定性，如计算模型、计算参数的选取、计算的假定、简化、信息描述、测量精度、测点的布置和方案一级设计施工数据与信息不足等。

1.3 国内外研究现状

国外有关深大基坑开挖引起工程周近土体移动的研究和时间方面，从所查见的资料文献看，一般有以下各点认识：

（1）深大基坑开挖周围的土体移动大小和范围，主要取决于地基条件（如：地层地下水状况、土体变形和强度特性等）和建造方法（如：开挖和支撑顺序、挡土结构和支撑的刚度等）。一般敞开式开挖和采用悬臂式挡土墙围护的开挖会比用多道支撑开挖和用严密逆作法施工产生更大的土体移动。在城市环境中，施工的土工损伤与影响要求最小，则很明显后者会优先考虑采用。

（2）土体移动的计算常不能直接得出，因为问题复杂和需要相当的经验以合理的运用复杂的分析方法。因此，在类似的条件下充分利用以往的经验和工程实录将是十分必要的。Peck（1969年）对深基坑开挖周围土体发生的垂直移动作了全面的概括，而后由Clough和ORourke（1980年）又进行了修正。Burland等（1979年）总结了伦敦粘土十多年来深基坑开挖周围土体移动的研究成果。挪威岩土工程主管机构海出版了一本在奥斯陆粘土层中的开挖工程实录[Karlsrud和Myrvoll（1976年）]。对在硬粘土层中支撑良好的开挖情况，Peck的土体沉降包线一般比较保守，沉降很少超过0.15％，但是土体移动还可以延伸到地下墙背面以后达到开挖深度的3～4倍。土体水平移动一般与垂直移动的大小与分布相类似，但对硬粘土层的敞开式和悬臂式开挖而言，可能水平移动会更大。

（3）以有限元方法为基础的数值分析方法广泛的应用于预测深基坑开挖周围的土体移动。分析工作能模拟施工过程、开挖的各个工况阶段和支撑条件。然而，与现场观察结果的比较显示，成功的预测需要高质量的监测和使用良好的现场应变传感器，以准确的测量土体小应变刚度特性（Jardine等，1984年）。

（4）国外专家普遍认为：深基坑开挖应在经验丰富的从长人员的严格监控下进行，除非快速提供正向支撑并适当控制地下水，将会产生很大的、无法预料到的土体移动而危及工程周边环境。

（5）利用现场监测资料来推算并预测后续将产生的变形位移的单步预测法已获得不少采用，而对工程施工的变形控制，随着城市对已建建（构）筑物变形位移控制的环境维护要求，大致经历了强度控制、变形控制和系统控制3个阶段、其中，反演分析于1976年提出。随着岩土力学与工程一级计算技术的发展，国内外采用不同手段对反演分析法及其各个方面的应用做了大量研究。

人工智能神经网络于1943年提出，经历了多个阶段，1987年后已开始大量应用。

智能控制于1971年提出，现已广泛应用于各个学科，但工程实践和岩土领域的采用尚属少见。

2 基坑变形的原理和计算方法

随着城市建设的快速发展, 大量高层建筑物不断涌现, 这些工程的建设涉及到基坑开挖, 基坑开挖直接影响到周边建筑物的安全。大面积开挖坑底, 土的性状必然发生变化, 它直接影响到基坑的稳定及变形, 基坑位移与变形不仅关系到本身安全, 也影响到周边建筑物的安全。这要求基坑支护不仅要满足强度控制要求, 还要满足基坑内外环境变形要求。下面以上海某大厦钻孔灌注桩基坑支护工程为例进行分析。此工程基坑深度为 12.7m, 支护桩嵌入土层深度为 15.8m, 在表面下 0.12m 做第 1 道支撑, 第 1 至第 2 道支撑间距为 3.5m, 第 2 至第 3 道支撑为 4.5m, 第 3 层至基底为 4.5m。经仪器监测最大水平位移为 57mm。

常用的基坑变形计算方法有基床系数法, 弹性地基杆系有限元法, 有限元法等等。

2.1基床系数法

基床系数法假定桩为弹性地基上的梁, 并假设梁身任一点土抗力与此点位移成正比。之后用数学方法 解桩在受荷后的弹性挠曲微分方程, 求出桩各部分的内力和位移。 解析方法为: 桩在水平荷载作用下水平位 移 (x ) 愈大, 侧压力 () 也愈大, 侧压力大小还取决于: 土的性质, 桩身刚度大小, 桩的截面形状, 桩的入土深 度等。 公式为：

=C x(1)

式中: C ——土的水平向基床系数; x——桩 的水平位移; ——桩所受侧向土压力。

2.2m 法

对于设有多道支撑的支护桩,m 法用结构力学的力法或位移法来求解支撑内力, 支护桩在基坑底面以上的悬臂部分也可用结构力学方法计算其内力, 基坑底面以下的入土部分可在求得支撑力后分析其内力。

任意侧向荷载作用下,N 点的水平位移 可以用迭加原理求解, 如图 1。

(1) 支护桩作为弹性地基杆件在基坑底面O 点受力 H0 (qy 的合力) 及弯矩M0 (qy 对O 点的弯矩) 后, O点的水平位移为

X0= H0HH + M0HM (2)

(2) 支护桩作为弹性地基杆件在基坑底面O点受力H0及弯矩M0后产生转角0, 因转角0而在N 点产生的水平位移为

0(l- y′)= (H0MH + M0MM ) (l- y′)(3)

(3) 支护桩悬臂部分作为悬臂梁, 在任意荷载 qy 作用下在N 点产生的水平位移为这样N 点在任意荷载 qy 作用下其总的水平位移为

= x0+0 ( l- y′)+(4)

2.3有限元法

有限元法是从研究有限大小的单元力学特性着手, 建立每个结点处荷载——位移关系的代数方程组, 用计算机方法解出结点未知位移, 代数方程式如下:

[K ]{}= {} (5)

式中: [K ]—整体刚度矩阵; {}—各结点的位移; {R}—结点荷载。

3 影响基坑变形的因素

由于土的离散性及施工过程中受到各方面不确定因素的影响, 给基坑变形计算带来很多问题。基坑支撑开挖的确定性分析本身就相当复杂, 各种因素的影响程度很难确切表达。但关键的影响因素主要表现在

如下幾个方面。

3.1土体参数

C、 值及液性指数 IL , C 值越大说明土的内聚力和粘聚力越大, 土粒表面越粗糙, 粒间排列越密实, 内摩擦角 则越大。根据土的主动土压力计算公式可知C、值越大主动土压力越小, 基坑发生的变形越小。

p= tan(45-/2)- 2C tan(45-/2) (6)

式中: ——土的重度; h——土的厚度。

塑性指数 IL 说明土体为何种类型, 若为硬质粘土 IL 较小, 土的抗剪切破坏性强, 若为淤泥质土和软弱粘土 IL较大, 土体的抗剪切破坏性弱, 容易引起大的滑移和变形。

3.2支护桩入土深度及嵌入土体情况

支护桩嵌入深度越大支护体系的整体稳定性越好, 桩体嵌入土层越坚硬, 支护体系的稳定性愈强。若其位于松散和软弱土层, 墙后土体容易发生剪切破坏, 支护体系变形增大。条件允许支护桩应尽量嵌于硬质土层和岩层中。

3.3支撑布置情况

支撑布置如何直接影响到支护体系的变形, 支撑水平布置越密、层间间距越小、支护体系的稳定性越强、位移和变形也越小。参照m 法基坑变形的计算公式可知, 支撑层间间距是影响基坑位移的重要因素, 层间间距过大墙后土体作用在支护桩的抗力较大, 支护桩上将产生大的弯矩和挠曲变形, 墙后土体的裂隙增加, 直接影响基坑变形。

3.4施工条件

基坑开挖都是分级分阶段进行的。每一层开挖应在上一级支撑结束后进行, 而且要求其达到稳定状态。若开挖速度过快或每级开挖深度过大, 支撑进度没跟上, 墙后土体将出现临空状态, 土体受到过大的挠动, 这样墙后土体将快速向基坑一侧滑移, 基坑位移将明显增加。

4 实际工程变形计算

先运用m 法及基床系数法对上海某大厦基坑工程进行基坑变形理论计算, 以便于下面的分析比较, 上海某大厦基坑工程土体参数见表 1。

表1 土层的物理力学指标

运用上述几种方法进行实际工程基坑变形计算,m 法计算得到各支撑处计算位移与实际位移如图 2, 基床系数法求得各支撑处计算位移与实际位移如图 3, 显然两者间差异过大。其原因为施工过程中不确定因素较多, 很难全面地顾及, 如基床系数法没有考虑到分步开挖及每层开挖后对上一道支撑变形影响, 支护桩嵌入土层性质也没考虑到,m 法没有考虑每层开挖后预留时间对基坑变形的影响, 因此造成计算结果不准确。

图 2m法计算上海某基坑位移与实际位移比较 图 3基床系数法计算上海某基坑位移与实际位移比较

5 计算方法的选取及修正

从两图可见, 每种方法计算位移值都与实际位移有较大偏差, 但m 法考虑的因素相对较为全面, 考虑到土体参数、支撑布置条件、施工条件、支护桩入土深度和嵌入土层性状。可以此作为参照, 在充分考虑各种影响因素的情况下对其进行处理和修正。

5.1修正系数的确定

土体对基坑变形影响主要体现在内摩擦角和内聚力的影响。假定其修正系数为 a

a= sin(45-/2)+e/(7)

式中: e——取值为 2.72; ——土体内摩擦角; c——土的内聚力。

假定支护布置条件的修正系数为, 嵌入深度的修正系数为 , 嵌入层土体的修正系数为 , 施工进度的修正系数为 , b、c、d、h 的取值见表 2。

表 2各种情况下修正系数 b、c、d、h 的取值

K= a++++ (8)

则修正后的基坑变形计算公式为

S f = S×K(9)

式中: S——m 法基坑变形计算公式; K —影响基坑变形总的修正系数。

5.2计算方法修正后的分析比较

参照上述各表, 上海某大厦基坑工程各支撑处的修正系数取值见表3。

实际工程基坑位移与修正后的基坑计算位移曲线比较见图4。

表 3各支撑处的修正系数及修正位移值

由图 4 可见位移偏差大大减小, 有的地方还很接近。可认为修正后的计算公式对此基坑工程的变形计算是适合的。本研究只针对上海某深基坑工程, 由于影响基坑变形的不确定性因素很多, 各种因素的影响程度很难确切把握。本文提供的修正方法, 还有待进一步研究和实践检验, 仅作为一种方法提出。

6 结论

(1) 深基坑开挖不仅要保证基坑本身的安全与稳定, 而且还要严格控制基坑周围地层移动以保护周围环境。

(2) 基坑开挖过程中要严格控制基坑变形, 因此获得基坑实时变形数据非常必要。

(3) 诸多因素中土体参数、支撑布置情况、基坑开挖尺寸、施工进度是影响基坑变形最主要的因素。

【参考文献】

1姜朋明 饱和软土地区深基坑变形时间效应的研究 华东船舶工业学院学报, 1998

2孙均 城市环境土工学 上海科学技术出版社, 2005, 6

3李云安 深基坑工程变形控制及其影响因素的有限元分析 水文地质工程地质, 2001

4高大钊 深基坑工程设计 北京: 机械工业出版社, 1999

5高文华 基坑变形预测与周围环境保护 岩石力学与工程学报, 2001

6孙海涛 深基坑工程变形预报神经网络法的初步研究 岩土力学, 1998